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基于GIS的二维水沙数学模型及其在黄河下游应用的研究

朱庆平  
【摘要】:针对黄河下游河道水沙运动的特点,以“IT”技术为平台,研制了基于GIS的黄河下游二维水沙数学模型。 通过对现有国内外水沙模型的比较,选取了适合多沙河流水沙特点的方程离散格式及数值方法:采用Osher及LSS格式计算对流项水沙数值通量,借助高斯积分确定扩散项中控制体形心处的梯度矢量,通过预测、校正二步格式求解方程组,以保证水流计算格式的解具有良好的物理基础,符合解的特征构造,并具有守恒性、逆风性、单调保持性和对间断的高分辨率等优良特性。对于由水压力与底坡项不平衡所导致的动量不守恒问题,采用三点高斯积分法来计算各边的平均法向通量。本文对非均匀沙沉速、床沙级配调整、横向冲刷坍塌变形等关键技术问题进行了深入分析,研制的二维水沙模型不但适用于低含沙水流的计算,而且适用于多沙河流的模拟计算。通过对ArcGIS软件的二次开发,设计和开发出了基于GIS的二维数学模型的前后处理系统。基于GIS的前后处理系统,不仅极大的提升了前期工作效率,而且在地形高程的生成精度、信息查询速度和可视化程度方面有了明显提高。 为检验所建模型的合理性和精度,利用国内外试验资料对其进行了测试,测试案例包括恒定流、非恒定流、溃坝、压缩水流、弯道、复式河道及复杂边界等不同情况。此外,利用黄河下游不同时期的实测资料和专题测验资料,对泥沙沉速模块、动床阻力模块、分组挟沙力模块等进行了测试,在此基础上,又将所建立的模型应用于黄河下游实测调水调沙洪水的模拟计算,结果表明,计算精度满足防洪调度的实际要求。


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